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Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 55

CHAPITRE IV

CLASSIFICATION PERIODIQUE

STRUSTURE ELECTRONIQUE ET

PROPRIETES DES ELEMENTS

www.stsmsth.blogspot.com www.stsmsth.blogspot.com Définitions et notions devant être acquises : Période- Colonne Famille- Bloc(s,p,d et f) Nombre ou degré doxydation- Alcalins Alcalino-terreux- Halogènes -Lanthanides Actinides- Métaux de transition- Non métaux- Semi métaux- Rayon atomique- Rayon ionique- Energie dionisation- Affinité électronique- Electronégativité- Règle de Slater

Exercice IV. 1.

Soient les atomes suivants :

N (Z=7), K (Z=19), Sc (Z=21), Cr (Z=24), Mn (Z=25), Fe (Z=26),

Cu (Z=29), Zn (Z=30), Ag (Z=47), Au(Z=79)

1. Donner les configurations électroniques des atomes. Présenter les

électrons de valence pour chaque atome. En déduire le nombre délectrons de valence.

2. Situer ces atomes dans la classification périodique et les grouper si

possible par famille ou par période.

3. Le césium (Cs) appartient à la même famille que le potassium (K) et à

la même période que lor (Au). Donner sa configuration électronique et son numéro atomique.

Exercice IV. 2.

Trouver la configuration électronique des éléments suivants et donner les ions possibles quils peuvent former :

1. Dun alcalin de numéro atomique Z supérieur à 12.

2. Dun alcalino-terreux de numéro atomique égale à 12.

3. Dun halogène de numéro atomique inférieur à 18.

4. Dun gaz rare de même période que le chlore (Z = 17).

5. Du troisième halogène.

6. Du deuxième métal de transition.

7. Du quatrième alcalin.

Exercice IV. 3.

Le molybdène (Mo) appartient à la famille du chrome Cr (Z=24) et à la cinquième période. Donner sa configuration électronique et son numéro atomique. Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 57 www.stsmsth.blogspot.com www.stsmsth.blogspot.com

Exercice IV. 4.

On considère deux éléments de la quatrième période dont la structure

électronique externe comporte trois électrons célibataires.

1. Ecrire les structures électroniques complètes de chacun de ces éléments et

déterminer leur numéro atomique.

2. En justifiant votre réponse, déterminer le numéro atomique et donner la

configuration électronique de élément situé dans la même période que le fer (Z = 26) et appartenant à la même famille que le carbone (Z = 6).

Exercice IV. 5.

Combien d'électrons peut contenir au maximum la troisième couche ? Combien d'éléments comporte troisième période du tableau périodique ? Pour quelle valeur de Z (nombre de protons), la troisième couche sera-t-elle entièrement remplie ?

Exercice IV. 6.

Donner les symboles et nommer les éléments principaux (leur couche de valence est de type nsx npy où l x 2.et 0 y 6.) ayant une couche externe

à 8 électrons.

Quel est le nom de leur groupe ?

Ont-ils des propriétés chimiques variées ? Quelles sont leurs caractéristiques physiques ?

Ont-ils des utilisations en industrie ?

Exercice IV. 7.

Latome détain (Sn) possède dans son état fondamental deux électrons sur la sous-couche 5p.

1. Donner sa structure électronique, son numéro atomique ainsi que le

nombre délectrons de valence.

2. Fait-il partie des métaux de transition ? Pourquoi ?

Exercice IV. 8.

Définir lénergie dionisation, laffinité électronique et lélectronégativité dun atome. Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 58 www.stsmsth.blogspot.com www.stsmsth.blogspot.com Z Li 3 Na 11 K 19 Rb 37
Cs 55
r (Å) 1,50 1,86 2,27 2,43 2,62 Na Mg Al Si P S Cl

Z 11 12 13 14 15 16 17

r (Å) 1,86 1,60 1,48 1,17 1,00 1,06 0,97 Comment varient le rayon atomique, électronégativité et le potentiel donisation des éléments suivant une période et suivant une colonne du tableau périodique. Justifier votre réponse.

Exercice IV. 9.

On donne les énergies donisation des atomes suivants :

H He Li Be C F Na K

Z 1 2 3 4 6 9 11 19

E(e.V) 13,53 22,46 5,36 9,28 11,21 17,34 5,12 4,32

1. Comment expliquer lévolution des premières énergies donisation de

H à He, de Li à F et entre Li, Na, K.

2. En déduire le sens de variation des rayons atomiques lorsque le

nombre de protons (Z) augmente.

Exercice IV. 10.

Soient les éléments suivants : F (Z=9), Na (Z=11) ; K (Z=19)

1. Classer ces éléments par rayons atomiques croissants, en justifiant la réponse.

2. Quels sont les ions les plus probables auxquels conduisent ces éléments ?

3. Classer ensemble des atomes et ions par rayons atomiques ou ioniques

croissants.

Exercice IV. 11.

Connaissant les rayons atomiques des éléments du premier groupe et de la troisième période du tableau périodique.

1. Préciser dans quel sens varie lénergie dionisation lorsquon

parcourt le groupe de Li au Cs et la période de Na à Cl.

2. Quel est lélément le plus réducteur ?

Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 59

Exercice IV. 12.

www.stsmsth.blogspot.com Classer dans chaque série, les éléments suivants selon leur rayon croissant :

11Na ; 19K ; 37Rb

6C ; 7N ; 8O

26Fe ; 26Fe2+; 26Fe3+

17Cl- ; 18Ar ; 20Ca2+

Exercice IV. 13.

Soit 11Na+, 12Mg2+ et 13Al3+. Quelle particularité ont ces ions ? Lequel de ces ions a le plus petit rayon ionique ?

Exercice IV. 14.

Comment expliquer que le cuivre Cu (Z=29) existe sous deux degrés doxydation Cu+ et Cu2+ et que le potassium K(Z=19) existe sous un seul degré doxydation K+.

Exercice IV. 15.

Calculer énergie de atome de béryllium Be(Z=4) et celles des ions Be+, Be2+, Be3+ et Be4+ dans leur état fondamental. En déduire les différentes énergies dionisation. Comparer ces résultats aux valeurs expérimentales suivantes :

9,28eV ; 18,1eV ; 155eV ; 217eV.

Exercice IV. 16.

Calculer la charge nucléaire effective :

1. dun électron sur lorbitale 4s, puis celle de lectron sur lorbitale 3d de

Cu (Z = 29)

2. dun électron sur orbitale 4p de Se (Z = 34).

Exercice IV. 17.

1. A aide des règles de Slater, justifier pourquoi, dans le cas du

potassium, électron de valence est placé dans la sous couche 4s au lieu de 3d.

2. Calculer les valeurs de la première et de la deuxième énergie dionisation

du potassium K (Z= 19). Expliquer la différence entre ces deux valeurs. Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 60

Exercice IV. 18.

www.stsmsth.blogspot.com 2 Calculer la charge nucléaire effective de lun des électrons 4s et celle de lun des

électrons 3d du zinc (Z=30).

Expliquer en justifiant par les règles de Slater, pourquoi en cas donisation de Zn, les électrons 4s partent avant 3d.

Exercice IV. 19.

Donner les ions que peut former atome de fer Fe (Z=26). Quel est le plus stable ?

Exercice IV. 20.

1. Quelle est la configuration électronique du magnésium Mg (Z=12)

dans l'état fondamental ?

2. Déterminer la charge nucléaire effective et l'énergie de chaque

électron.

3. Évaluer lénergie totale d'un atome de magnésium et d'un ion Mg+.

4. En déduire la valeur de l'énergie de première ionisation du

magnésium.

Exercice IV. 21.

Calculer les électronégativités ( ) dans léchelle de Pauling des éléments H, Cl et Br en vous servant des données du tableau suivant :

H-H F-F Cl-Cl Br-Br H-F H-Cl H-Br

Longueur

de liaison(Å) 0.74 1.42 1.99 2.28 0.92 1.28 1.42

H298 de 431.5 150.5 238.5 150 560.1 430.5 360

dissociation (kJ.mol-1) Lélectronégativité du fluor ( F) est égale à 4. La différence délectronégativité entre 2 éléments dans échelle de Pauling obéit à la relation :

HAB = ½( HAA + HBB) + 96,39 ( A

B) (kj.mol -1) Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 61 www.stsmsth.blogspot.com

CHAPITRE IV : Exercices corrigés

Classification périodique, structure électronique et propriétés des éléments

Exercice IV. 1.

1. Nous allons écrire pour chaque élément, sa structure électronique selon la

règle de Klechkowski et selon la disposition spatiale, et donner le nombre dons de valence. la règle de Klechkowski la disposition spatiale Nombre délectrons

N (7) : 1s2 2s2 2p3 [He]2s2 2p3 5

K (19): 1s2 2s2 2p6 3s2 3p64s1 [Ar]4s1 1

Sc (21) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d1 [Ar] 3d1 4s2 3 Cr (24) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d5 [Ar] 3d5 4s1 6 Mn (25)1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d5 [Ar]3d5 4s2 7 Fe (26) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d6 [Ar]3d6 4s2 8 Cu (29) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s13d10 [Ar]3d10 4s1 11 Zn (30) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s23d10 [Ar]3d10 4s2 2 Ag (47) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 5s1 4d10 [Kr]4d10 5s1 11 Au (79) 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s24d10 5p6 6s1 4f145d10 [Xe]5d10 6s1 11

Exemple: N (7) : 1s2 2s2 2p3

Représentation de la couche de valence à laide des cases quantiques :

2s2 2p3

Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 62 www.stsmsth.blogspot.com B

Remarque :

Dans le cas du chrome Cr (Z=24), la structure de la couche de valence doit être selon la règle de Klechkowski : 4s2 3d4. Cette structure est instable. La structure la plus stable est donc 4s1 3d5. La structure électronique de la sous couche 3d est à demi remplie. Dans le cas du cuivre Cu (Z=29), la structure de la couche de valence doit être selon la règle de Klechkowski : 4s2 3d9. Cette structure est instable. La structure la plus stable est donc 4s1 3d10. La structure électronique de la sous couche 3d est totalement remplie. "Les orbitales d à demi remplies ou totalement remplies sont plus stables»

2. Un seul élément appartiennent à la période n=2 : N (Z=7) (groupe VA)

- Les éléments qui appartiennent à la période n=4 sont : K (groupe IA), Sc (groupe IIIB), Cr (groupe VIB), Mn (groupe VIIB), Fe (groupe

VIIIB), Cu (groupe IB), Zn (groupe IIB)

- Les éléments qui appartiennent à la famille I sont: Cu (4éme

Ag (5éme période), Au (6éme période)

période) - Les éléments qui appartiennent à la famille de métaux de transition (leur couche de valence est de type (n-1)dy nsx où l x 2.et 1 y

10)sont: Sc (groupe IIIB), Cr (groupe VIB), Mn (groupe VIIB), Fe

(groupe VIIIB), Cu (groupe IB), Zn (groupe IIB)

3. Cs : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s24d10 5p6 6s1 4f14

Selon la règle de Klechkowski

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p6 4d10 4f14. 5s2. 5p6

6s1

Selon la disposition spatiale

La structure électronique de latome de césium est : [Xe] 6s1 et son numéro atomique est égal à 55(Z=55).

Exercice IV. 2.

1. K (19) : [Ar] 4s1 un seul ion possible K+. K a tendance à avoir la structure

stable du gaz inerte largon.

2. Mg (12) : [Ne]3s2 deux ions possibles Mg2+ et Mg+

3. Cl (17) : [Ne]3s23p5 un seul ion possible Cl- (structure

de argon :gaz inerte Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 63 www.stsmsth.blogspot.com

4. Ar (18) : [Ne]3s23p6 il ny a pas donisation possible car son état est

stable ; cest un gaz inerte

5. Br (35) : [Ar]3d104s24p5 un seul ion possible Br- (structure du gaz

inerte krypton)

6. Ti (22) : [Ar]3d24s2 quatre ions possibles Ti4+, Ti3+, Ti2+ et Ti+.

(Ti4+, Ti3+ sont les plus stables)

7. Rb (37): [Kr]5s1 un seul ion possible Rb+

Exercice IV. 3.

La structure électronique du chrome Cr : [Ar] 3d5 4s1 .Il appartient à la famille des métaux de transition de structure électronique de couche de valence de type (n-1)d5 ns1 Le molybdène Mo appartient à la même famille que le chrome et à la 5ème période donc la structure de sa couche de valence de type (n-1)d5 ns1 avec n=5

Mo : [Kr]4d5 5s1 => Z = 42

Exercice IV. 4.

1. Les deux éléments sont le vanadium et larsenic.

Le vanadium V : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d3 daprès la règle de Klechkowski : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d3 4s2 daprès la disposition spatiale

Le numéro atomique est : Z = 23

Remarque : En ne respectant pas la règle de Klechkowski, la structure serait la suivante :

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5

Cette structure est inexacte.

Il faudra donc respecter la règle de Klechkowski pour avoir la structure

électronique existante.

Cela peut sexpliquer quavant remplissage, le niveau de orbitale 4s est légèrement inférieur que celui des orbitales atomiques 3d, et quaprès remplissage, ce niveau 4s devient supérieur au niveau 3d. Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 64 www.stsmsth.blogspot.com

Structure électronique de larsenic

As : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p3 daprès la règle de Klechkowski

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d10 4s2 4p3 daprès la disposition spatiale

Le numéro atomique est Z = 33

2- Structure électronique du fer Fe (Z=26) :

[Ar] 3d6 4s2 ; Le fer appartient à la 4èmepériode n= 4 Structure électronique du carbone C (Z=6) 1s2 2s2 2p2 Le carbone appartient à la famille de structure électronique de couche de valence de type ns2 np2. Donc la structure électronique du germanium est : Ge [Ar] 3d10 4s2 4p2

Exercice IV. 5.

La troisième couche peut contenir au maximum 2n2 électrons cest-à-dire 18

électrons.

La troisième période comporte 8 éléments (bloc s et bloc p) Les deux valeurs de Z, pour lesquelles la 3ème couche serait remplie sont :

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 Z = 30 (Zinc Zn)

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s1 3d10 Z = 29 (exception) (Cuivre Cu)

Exercice IV. 6.

Les éléments principaux ayant une couche externe à huit électrons sont les gaz rares : Ne (Z=10) ; Ar (Z=18) ; Kr (Z=36) ; Xe (Z=54) ; Rn (Z=86)

Les six gaz rares sont inertes.

Ils ne sont pas nocifs pour nous, c'est pourquoi ils ont plusieurs utilités. Nous donnons quelques exemples de leurs applications.

L'hélium :

- Dans les bonbonnes de plongée des grandes profondeurs - En cryogénie à cause de sa basse température à létat liquide.

L'argon et le néon :

- Dans les enseignes lumineuses et dans les lasers. Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 65 www.stsmsth.blogspot.com

Le radon :

- Dans les industries, il sert initier et à influencer des réactions chimiques. - Dans les appareils servant à prévenir les tremblements de terre. - En médecine, pour les traitements anti-cancer.

Le xénon :

- Dans les industries de fabrication des lampes à haute intensité - Dans les lasers à ultraviolet. - En médecine, surtout pour les anesthésies.

Le krypton :

- Dans certaines ampoules électriques incandescentes et fluorescentes - Dans les lasers et lholographie.

Exercice IV. 7.

1. Sn :

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p65s2 4d10

5p2

Daprès la règle de Klechkowski

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p64d10 5s2

5p2

Daprès la disposition spatiale

Latome de étain possède quatre électrons de valence et son numéro atomique est égal à 50.

2. Non, il ne fait pas partie des métaux de transition car la sous-couche

4d est remplie.

Exercice IV. 8.

Rayon atomique :

Dans une colonne du tableau périodique, quand le numéro de la période(n) augmente, le rayon atomique croit. Dans une période, n est constant, Z augmente. L'effet d'écran variant peu, les électrons ont tendance à être plus attiré par le noyau et par conséquences le rayon diminue. Lénergie dionisation : st énergie nécessaire ql faut fournir à un atome dans son état fondamental (première ionisation) ou à un ion (deuxième ou troisième ionisation) pour lui arracher un électron. Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 66 www.stsmsth.blogspot.com Elle diminue quand le rayon atomique augmente et elle augmente quand le rayon diminue. Laffinité électronique : cest énergie mise en jeu (libérée dans de nombreux cas) lors de la capture dun électron par un atome pour former un anion. Lélectronégativité : cest la tendance dun atome à attirer les électrons de la liaison. Elle varie dans le même sens que énergie donisation.

Exercice IV. 9.

1. Dans une période du tableau périodique, le nombre de couche(n) est

constant, Z augmente, l'effet d'écran varie peu, les électrons ont tendance à être plus attiré par le noyau et par conséquences le rayon diminue et lénergie donisation croit de la gauche vers la droite.

I (He) > I (H) et I (F) > I (Li)

Dans une même colonne (ou groupe) du tableau périodique, quand le numéro de la période (n) augmente, le rayon atomique croit et énergie donisation diminue du haut vers le bas.

Nous avons donc :

I (Li) > I (Na) > I (K)

2. Le rayon atomique augmente dans un même groupe du haut vers le

bas et dans une même période de la droite vers la gauche (voir exercice V.8)

Exercice IV. 10.

1. rF < rNa

K : n (F) = 2 ; n (Na) = 3 et n (K) = 4.

2. F (Z =9) : 1s2 2s2 2p5- F 1s2 2s2 2p6

F- a la structure stable du gaz rare Ne

Na (Z =11) : 1s2 2s2 2p63s1 Na 1s2 2s 2p

Na+ a la structure stable du gaz rare Ne

K (Z =19) : 1s2 2s2 2p6 3s2 3p64s1 K 1s2 2s2 2p63s1- 3s2 3p6

K+ a la structure stable du gaz rare Ar

Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 67 www.stsmsth.blogspot.com

3. rF délectrons est plus grand sur lon F- Lattraction noyau- électrons sur F est donc plus forte et par conséquences le rayon rF est plus petit. rNa Par conséquences : rF Exercices corrigés de structure de la matière et de liaisons chimiques 68 www.stsmsth.blogspot.com I rA (Å 2,5quotesdbs_dbs20.pdfusesText_26

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